震后地表破裂的動(dòng)力分析方法

震后地表破裂的動(dòng)力分析方法

1地表和地表破壞研究通用工程材料有兩種類型。一類是人工材料,它們是在工廠中冶煉、制造出來(lái)的,屬于產(chǎn)品范疇,有相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),如金屬、合金、混凝土、磚等,總的說(shuō)來(lái)其破壞研究有規(guī)律可循;另一類是天然材料,它們是自然的產(chǎn)物,如巖、土,它們具有強(qiáng)烈的區(qū)域性和歷史未知性,破壞研究有很多和很大困難,因此,這方面的研究一般聚焦在某些具體的工程問(wèn)題,并具體為某一特定的領(lǐng)域。本文以地震地表破壞的主要現(xiàn)象展開(kāi),探討破壞形式對(duì)應(yīng)的一些力學(xué)破壞機(jī)制,以及破壞過(guò)程定量分析的可能手段。從地震地表破裂現(xiàn)象出發(fā),歸納出地表破裂幾個(gè)重要特征,依據(jù)材料的破壞準(zhǔn)則和邊值問(wèn)題的穩(wěn)定性討論地震地表破壞的本質(zhì)。2強(qiáng)烈地震造成的地表破壞2.1golcum分級(jí)和地表斷裂的地表變化土耳其處于歐亞大陸的接壤處,其主要構(gòu)造作用是在非洲大陸和阿拉伯板塊向北運(yùn)動(dòng),使Levantine海底向上提升。同時(shí),阿拉伯板塊相對(duì)于非洲大陸向北運(yùn)動(dòng)造成了Anatolian板塊向西走滑和旋轉(zhuǎn)、東北Anatolian板塊向東走滑和旋轉(zhuǎn),使NAF和EAF構(gòu)成了Anatolian板塊向西運(yùn)動(dòng)的北、南的邊界;東北Anatolian板塊的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,它受到板塊沿一系列共軛斷層造成的強(qiáng)烈的內(nèi)部變形,見(jiàn)圖1。土耳其域內(nèi)的地震發(fā)生多集中在NAF、EAF、WAFS和NEAF四條斷層上,震源深度一般在10~20km之間。NAF大體上可分為三段,北段通過(guò)Izmit灣、Marmara、Saros峽谷,然后伸向希臘;中段通過(guò)Geyve、Iznik、Mudanya、BandRma和Biga;南段通過(guò)Bursa、Manyas湖、BalKesir和Edremit灣。大多數(shù)破壞性地震發(fā)生在NAF北段上。1999年8月17日,Kocaeli發(fā)生了7.4(MW)級(jí)地震,震中處于東經(jīng)29.97,北緯度40.77,震源深度17km。地震引起了由Golcuk到Duzce約100km長(zhǎng)的地表破裂,地面運(yùn)動(dòng)的主要形式為走滑破裂,地表位移為2~4m;走滑斷裂在Golcuk引起的次生正斷層有3km長(zhǎng),很大面積下沉了2~3m,海邊區(qū)域也被海水淹沒(méi),海床滑坡和下沉使得在Izmit灣引起了4~12m高的海嘯。地表破裂非常接近已知活斷層的位置,圖2為地表斷裂的主干,在Golcuk右旋走滑位移超過(guò)4m,它越過(guò)位于Golcuk的海軍基地伸入Izmit灣、Sapanca湖,在Kullar形成2m左右的右旋位移,巨大的位移造成了鐵路和堤岸變形;到Arifiye,地表破裂使跨越亞歐公路橋發(fā)生嚴(yán)重破壞。在Golcuk的很大區(qū)域內(nèi)還發(fā)生了地表沉降,最大的豎向位移超過(guò)了2m,它可能是由走滑斷層間的張拉力形成的次生正斷層引起的,方向并不規(guī)則,但次生正斷層的南端并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)走滑斷層,因此設(shè)想在IZMIT灣存在一個(gè)很大的地塹,這次地震導(dǎo)致一塊很大不穩(wěn)定沉積物滑進(jìn)地塹,導(dǎo)致Golcuk地區(qū)的下沉和海嘯。同時(shí),在Adapazari和Sapanca湖區(qū)域,發(fā)生了嚴(yán)重的土壤液化,引起了房屋的傾斜,地下管道破裂,液化也引發(fā)了Sapanca湖邊的很大的地表側(cè)移。2.2苗蘭—集集地震臺(tái)灣位于歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊擠壓和碰撞帶上,菲律賓海板塊上的呂宋島每年約以70~~80mm之速率向西北方向擠壓歐亞大陸,造成臺(tái)灣島抬升,同時(shí)使臺(tái)灣島的巖層產(chǎn)生一系列斷層與褶皺。1999年9月21日晨1時(shí)47分,臺(tái)灣地區(qū)發(fā)生了里氏7.3(M)地震,震中處于東經(jīng)120.81,北緯度23.85,震源深度7.0km。地震是由車(chē)龍埔斷層活動(dòng)引起的,造成長(zhǎng)約105km以上的地表破裂(見(jiàn)圖3),逆沖斷層活動(dòng)造成的斷層上下盤(pán)間形成的最大高差為11m。地表破裂南以古坑斷層(草嶺)為界,約以南-北走向向北延伸83km至豐原,破裂轉(zhuǎn)折呈東北東-西南西走向延伸至苗栗縣卓蘭鎮(zhèn)內(nèi)灣村,長(zhǎng)約15.5km,此后以一系列略呈西北-東南走向至南-北走向之正斷層(長(zhǎng)約6.5km)向東與雙冬-大茅埔斷層相接。其中,古坑至豐原一段的地表斷裂與原本認(rèn)識(shí)的車(chē)龍埔斷層相近,豐原以北的斷層在以往的文獻(xiàn)資料中沒(méi)有描述。古坑-豐原段,地表破裂走向以南北向?yàn)橹?主要由一條連續(xù)的主破裂及局部少數(shù)分枝破裂所組成。主破裂分布在西部丘陵地帶與西部平原之交界處,即著名的車(chē)龍埔斷裂。主破裂面的斷面向東傾斜,傾角在30°~50°之間。南北段主破裂面兩側(cè)的垂直落差變化較大,在名間(4.2m),草屯(3.9m),及豐原(6.44m)可見(jiàn)到較大的三個(gè)峰值。除了垂直落差之外,主破裂面也有不等量之走向滑移分量。整體而言,主破裂面在竹山-名間段主要以向西逆沖運(yùn)動(dòng)的滑移為主;往北除逆沖外還有較大的左滑分量;往南則呈現(xiàn)逆沖兼有少量右滑分量。同時(shí),地表主斷裂的上盤(pán)方位角為300°~310°,與菲律賓板塊擠壓方向(305°)一致。豐原以北之后,南北向的地表破裂發(fā)生了轉(zhuǎn)折。在豐原-校栗埔段,地表斷裂轉(zhuǎn)向東北-西南西走向,在教師研習(xí)所附近主斷層分叉形成寬為2km的變形帶,它由5~6條1~8km的地表斷裂所組成,斷層帶的南北邊界均為向東傾斜的逆沖斷層,其間分布著幾條西傾逆沖斷層,其中最長(zhǎng)的一條從教師研習(xí)所以東北-西南走向經(jīng)豐勢(shì)路到大甲溪北岸,其后轉(zhuǎn)成東西方向切過(guò)崗壩。這條斷裂的地表位錯(cuò)變化很大,有傾滑分量,也有走滑分量,其中在大甲溪北岸垂直落差達(dá)11m。在校栗埔-內(nèi)灣段主要有兩條呈東北-西南走向的地表破裂,這兩條破裂以逆沖運(yùn)動(dòng)為主,靠東邊的破裂面傾向朝東,西邊的破裂朝西,形成一上拱構(gòu)造(PopStructure)。在內(nèi)灣-雙琦段破碎帶為2~3km,主要由一系列彼此平行呈南-北走向或東北-西南走向之正斷層組成,具有明顯的張拉分量,在單一斷層上上下盤(pán)的高差最多達(dá)2m,張拉量為0.50m,最大右移分量達(dá)2.5m。同時(shí),地震也引起了滑坡、山崩、堰塞湖、液化等現(xiàn)象。3地震資料穩(wěn)定性分析上述兩次造成巨大地表破裂的地震都是板塊構(gòu)造發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造變化的結(jié)果。本節(jié)概述地震發(fā)生機(jī)理及其地震發(fā)生過(guò)程的分析方法。從大尺度的角度來(lái)講,地球板塊及它們之間的接觸界面組成了一個(gè)大的且不穩(wěn)定系統(tǒng),地球內(nèi)部物質(zhì)和表面洋流規(guī)則擾動(dòng)、非規(guī)則的混沌攝動(dòng),太陽(yáng)系內(nèi)星體對(duì)地球的擾動(dòng),同時(shí)也由于其材料性質(zhì)的限制,板塊之間的應(yīng)力、變形經(jīng)常處于調(diào)整過(guò)程中,調(diào)整過(guò)程大部分時(shí)間處于平穩(wěn)、連續(xù)的;在特定的時(shí)間、特定的地點(diǎn)這種調(diào)整是劇烈的、不連續(xù)的,劇烈的應(yīng)力釋放過(guò)程一般伴隨著地震,劇烈釋放能量以波動(dòng)的形式向四周傳播。需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn),如果沒(méi)有外部或內(nèi)部的擾動(dòng),不穩(wěn)定系統(tǒng)也沒(méi)有明顯的失穩(wěn)表現(xiàn),不同的擾動(dòng)形式,失穩(wěn)表現(xiàn)為地震震源不同的破裂方式,如正斷裂、逆斷裂和走滑斷裂。同時(shí),失穩(wěn)表現(xiàn)在某一個(gè)很小時(shí)間段,強(qiáng)度和剛度基本上完全喪失,但是隨著時(shí)間的流逝,地質(zhì)材料也逐漸自愈,恢復(fù)了強(qiáng)度和剛度。相關(guān)的穩(wěn)定分析有兩方面比較突出。其一,Rice及其合作者的彈性動(dòng)力學(xué)理論,結(jié)合與率和狀態(tài)(粗糙度)相關(guān)界面摩擦率的單個(gè)界面不穩(wěn)定系統(tǒng),在外界蠕動(dòng)(板塊擠壓)失穩(wěn)分析,分析表明了界面失穩(wěn)存在一定的周期性,這部分反應(yīng)了地震的周期特性。其二,石根華的DDA和其后發(fā)展的數(shù)值流形方法,主要用來(lái)進(jìn)行巖石力學(xué)中塊體系統(tǒng)分析,塊體之間由界面靜或動(dòng)摩擦相聯(lián)系。這也是傳統(tǒng)摩擦律的弊端再一次阻礙新理論的建立,事實(shí)上,只有存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),摩擦才能產(chǎn)生,靜動(dòng)也沒(méi)有明確的界限,摩擦系數(shù)應(yīng)與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),且在速度軸上是連續(xù)變化的,這從率相關(guān)摩擦、狀態(tài)相關(guān)摩擦的試驗(yàn)中已得到驗(yàn)證。最有潛力的地球板塊-界面系統(tǒng)的穩(wěn)定分析方法是上述兩者的結(jié)合。系統(tǒng)放大至整個(gè)地球時(shí),模型趨于完美,但我們無(wú)從下手。比較實(shí)際的做法定義一個(gè)小區(qū)域、由兩到三個(gè)活斷層和相應(yīng)巖體組成的系統(tǒng),它的失穩(wěn)外部因素一般是板塊的擠壓、板塊之間的界面蠕動(dòng),當(dāng)應(yīng)力積累達(dá)到較大凹凸體破裂時(shí),積累的能量瞬時(shí)釋放,一方面巖體沿界面突然加速運(yùn)動(dòng),同時(shí)釋放的振動(dòng)能量降低了界面上其它凹凸體的抗力,使源破裂面進(jìn)一步開(kāi)展,當(dāng)失穩(wěn)或震源深度較淺時(shí),界面向地面方向開(kāi)展,到達(dá)地面形成地表破裂。但作為動(dòng)力學(xué)分析的主要困難是巖體現(xiàn)階段的應(yīng)力和變形狀態(tài)、巖體和界面材料的本構(gòu)特性及其界面幾何描述,這方面研究有一些進(jìn)展,但很有限。4地震地表破壞的特征從上面兩次主要地震破壞的敘述可以發(fā)現(xiàn),地震引起的地質(zhì)材料的破壞類型很多,我們不便也沒(méi)有能力細(xì)化,而是從公眾一般認(rèn)識(shí)角度出發(fā),把地震地表破壞主要特征分為以下5個(gè)方面。4.1地表走滑位移常見(jiàn)于走滑和逆沖形成了地表破裂。Kocaeli地震引起了地表走滑位移2~4m,在沿公路、柵欄、管道等處,視覺(jué)尤為強(qiáng)烈。集集地震中的南北段,以逆沖為主破裂面的兩側(cè)垂直落差,在名間、草屯、豐原分別為4.2m、3.9m、6.44m。4.2lm-4izmo常見(jiàn)于正斷層引起的地表破裂。Kocaeli走滑斷裂引起的次生正斷層有3km長(zhǎng),很大面積下沉了2~3m,海邊區(qū)域也被海水淹沒(méi),海床滑坡和海床下沉使得在Izmit灣引起了4~12m高的海嘯。集集地震中的校栗埔-內(nèi)灣段內(nèi)上拱構(gòu)造主要由一系列彼此平行呈南-北走向或東北-西南走向之正斷層組成,具有明顯的張拉分量,張拉量為0.50m。4.3變形帶的主斷層所有地震地表破壞中均可見(jiàn)到。集集地震中的教師研習(xí)所附近主斷層分叉形成寬為2km的變形帶,它由5~6條1~8公里的地表斷裂所組成,斷層帶的南北邊界均為向東傾斜的逆沖斷層。4.4golc料區(qū)域內(nèi)地表沉降與場(chǎng)地沉積層厚度、沉積的性質(zhì)有關(guān)。Kocaeli地震引起的Golcuk區(qū)域內(nèi)地表沉降,最大的豎向位移超過(guò)了2m。集集地震中的光復(fù)國(guó)中操場(chǎng)因逆斷層而抬升約2.5m。4.5zri和sapanca湖區(qū)域Kocaeli地震中的Adapazari和Sapanca湖區(qū)域,發(fā)生了嚴(yán)重的土壤液化,液化也引發(fā)了Sapanca湖邊的很大的地表側(cè)移。5地震地表破壞的分析方法小尺度上的分析成果已非常豐富,我們不再討論各種基于經(jīng)典彈塑性理論的處理方法,重點(diǎn)介紹以上述常見(jiàn)的地震地表破壞新的分析方法。同時(shí),下面的穩(wěn)定分析限定在很小的初邊值問(wèn)題之中,失穩(wěn)的定義是控制方程的特征值喪失了正定性,在具體問(wèn)題中表現(xiàn)為本構(gòu)張量、聲學(xué)張量正定性的喪失和奇異性的出現(xiàn)。5.1局部構(gòu)造的土體力學(xué)特性剪切面破壞分析限定在走滑、逆沖基巖位錯(cuò)作用下的覆蓋土層組成的動(dòng)力系統(tǒng)?；鶐r位錯(cuò)作為系統(tǒng)的輸入,覆蓋土層由彈性反應(yīng)很快過(guò)渡到彈塑性反應(yīng),當(dāng)彈塑性反應(yīng)到某個(gè)程度,材料的聲學(xué)張量行列式的值趣于0時(shí),控制方程速度場(chǎng)的解也將喪失唯一性,同時(shí)塑性應(yīng)變會(huì)集中在一很窄的區(qū)域,巖土材料處于局部失穩(wěn)狀態(tài),形成一個(gè)剪切帶。由于經(jīng)典與率無(wú)關(guān)彈塑性本構(gòu)關(guān)系中沒(méi)有材料特征尺寸的概念,這個(gè)帶實(shí)際上是一個(gè)沒(méi)有寬度的面。當(dāng)行列式為0時(shí),失穩(wěn)狀態(tài)下的界面強(qiáng)度和剛度嚴(yán)重退化,隨著外部作用的持續(xù)、加劇,剪切面上的變形在摩擦律的控制下繼續(xù)擴(kuò)展,形成位移梯度階越間斷形式的破壞。這就是走滑和逆沖形成的地表破裂的機(jī)制,其中分析方法的要點(diǎn)之一是覆蓋土層在不同荷載速率下的本構(gòu)描述,合理解決材料隨著載荷速度增大而變脆的特性;要點(diǎn)之二是界面的摩擦律,它與形成的界面運(yùn)動(dòng)速度和狀態(tài)有關(guān)。5.2巖位錯(cuò)與巖位錯(cuò)拉斷破壞分析限定在正斷層基巖位錯(cuò)作用下的覆蓋土層組成的動(dòng)力系統(tǒng)。基巖位錯(cuò)作為系統(tǒng)的輸入,應(yīng)用拉應(yīng)力準(zhǔn)則,判斷破裂的位置,進(jìn)化過(guò)程分析是在續(xù)位移場(chǎng)中引入間斷位移,由此引起的局部應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)部分凝聚到材料之中,得到標(biāo)準(zhǔn)的Galerkin近似格式。也可以采用塊體理論進(jìn)行進(jìn)化分析。5.3偶應(yīng)力法fleck剪切破碎帶系統(tǒng)與考慮剪切面的系統(tǒng)相同,分析過(guò)程也有點(diǎn)相似,不同的是剪切面分析中彈塑性本構(gòu)沒(méi)有材料特征尺寸。當(dāng)研究破碎帶的力學(xué)機(jī)制時(shí),材料特征尺寸必須引進(jìn)地質(zhì)材料的本構(gòu)律,經(jīng)典的做法是Fleck和Hutchison發(fā)展的應(yīng)變梯度偶應(yīng)力理論,其中揭示了材料的內(nèi)部尺寸效應(yīng)。但為了應(yīng)用方便,旋轉(zhuǎn)梯度通過(guò)材料長(zhǎng)度引入等效應(yīng)變和等效應(yīng)力以便與經(jīng)典彈塑性本構(gòu)相結(jié)合。很明顯,偶應(yīng)力理論是經(jīng)典理論的發(fā)展,實(shí)際應(yīng)用上還有較大的限制,至少大量基于經(jīng)典彈塑性分析理論、計(jì)算方法已不能直接繼續(xù)使用。為了簡(jiǎn)化計(jì)及非局部效應(yīng),有多種近似方法可以考慮,如在屈服方程中引入高階塑性應(yīng)變梯度、本構(gòu)方程中增加粘性項(xiàng)等措施,或按照Lagrange變形運(yùn)動(dòng)學(xué)描述,把應(yīng)力擴(kuò)展為時(shí)空變化率,這樣處理既可以利用本構(gòu)模型的研究成果,又計(jì)入了應(yīng)變梯度對(duì)應(yīng)力的貢獻(xiàn)。5.4塑性變形塑性變形的破壞形式與上述三種破壞相比的顯著特點(diǎn)是材料延性很好,主要表現(xiàn)為軟弱土,這樣的分析文獻(xiàn)太多,這里不再展開(kāi)。5.5多孔介質(zhì)動(dòng)力方程液化主要發(fā)生在飽和介質(zhì)。由于波動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)性介質(zhì)材料的擾動(dòng),孔隙水壓逐步上升,根據(jù)太沙基的有效應(yīng)力原理,骨架逐步喪失了抗剪能力方式的破壞。實(shí)際地質(zhì)材料成分非常復(fù)雜,需要材料多孔介質(zhì)等效為規(guī)則多孔介質(zhì),應(yīng)用多孔介質(zhì)動(dòng)力方程,多孔介質(zhì)的本構(gòu)模型和孔隙水壓增長(zhǎng)特性,求解液化發(fā)生的條件。上述狀